一、协程是什么？为什么C++需要它？
想象一下你在餐厅点餐：服务员记下你的需求后去厨房下单，这时候他可以继续服务其他顾客，而不是傻站着等厨师做完菜。协程就是这种"能暂停手头工作去干别的事"的能力在代码世界的体现。
传统C++的多线程就像雇了一堆服务员，每个服务员只能服务一桌（线程上下文切换开销大）。而协程更像是同一个服务员灵活切换服务多桌（单线程内任务切换），效率自然高得多。C++20终于把协程纳入标准，让我们看看它的魔法：
// 技术栈：C++20标准协程
#include <coroutine>
#include <iostream>
Generator<int> countToThree() {
co_yield 1; // 第一次暂停，返回1
co_yield 2; // 第二次暂停，返回2
co_yield 3; // 第三次暂停，返回3
}
int main() {
auto counter = countToThree();
while (counter.next()) {
std::cout << counter.value() << " ";
}
// 输出：1 2 3
}
这个简单的计数器展示了协程核心行为：函数执行到co_yield时会暂停，把控制权交还给调用者，下次恢复时从暂停处继续。就像服务员每次记完单就回来问你还需要什么。
二、C++协程的底层实现机制
协程的实现就像魔术师的暗箱，表面简单的co_yield背后藏着精妙设计。关键组件包括：
- 协程帧(Coroutine Frame)：相当于协程的"记忆卡片"，保存局部变量和暂停位置
- 承诺类型(Promise Type)：协程的"大脑"，控制生命周期
- 协程句柄(Coroutine Handle)：操作协程的"遥控器"
看个完整示例：
// 技术栈：C++20标准协程
#include <coroutine>
#include <iostream>
struct Generator {
struct promise_type {
int current_value;
Generator get_return_object() {
return Generator{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)};
}
auto initial_suspend() { return std::suspend_always{}; }
auto final_suspend() noexcept { return std::suspend_always{}; }
void unhandled_exception() { std::terminate(); }
auto yield_value(int value) {
current_value = value;
return std::suspend_always{};
}
};
std::coroutine_handle<promise_type> coro;
explicit Generator(std::coroutine_handle<promise_type> h) : coro(h) {}
~Generator() { if (coro) coro.destroy(); }
int value() { return coro.promise().current_value; }
bool next() {
if (!coro.done()) {
coro.resume();
return !coro.done();
}
return false;
}
};
Generator countDown(int from) {
while (from > 0) {
co_yield from--;
}
}
int main() {
auto gen = countDown(5);
while (gen.next()) {
std::cout << gen.value() << " ";
}
// 输出：5 4 3 2 1
}
这个倒计时器揭示了协程的完整生命周期管理。promise_type就像协程的控制中心，initial_suspend决定启动时是否立即执行，yield_value处理co_yield的行为。当协程函数返回时，final_suspend决定是否自动销毁协程帧。
三、实际应用案例：异步IO处理
协程最擅长的场景就是处理IO密集型任务。假设我们要同时下载多个网页，传统回调方式会陷入"回调地狱"，而协程让代码保持线性逻辑：
// 技术栈：C++20协程 + libcurl（伪代码示意）
#include <curl/curl.h>
#include <vector>
#include <coroutine>
struct AsyncTask {
struct promise_type {
std::string response;
CURL* curl_handle;
AsyncTask get_return_object() { /*...*/ }
auto initial_suspend() { return std::suspend_never{}; }
auto final_suspend() noexcept { return std::suspend_always{}; }
void return_void() {}
auto await_transform(CURL* handle) {
struct CurlAwaiter {
CURL* handle;
bool await_ready() { return false; }
void await_suspend(std::coroutine_handle<> h) {
curl_easy_setopt(handle, CURLOPT_PRIVATE, h.address());
curl_multi_add_handle(multi_handle, handle);
}
long await_resume() {
long http_code;
curl_easy_getinfo(handle, CURLINFO_RESPONSE_CODE, &http_code);
return http_code;
}
};
return CurlAwaiter{handle};
}
};
// 省略其他实现...
};
AsyncTask fetchUrl(const std::string& url) {
CURL* curl = curl_easy_init();
curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_URL, url.c_str());
long status_code = co_await curl; // 神奇暂停点！
std::cout << url << " status: " << status_code << "\n";
}
void eventLoop() {
while (running) {
int still_running;
curl_multi_perform(multi_handle, &still_running);
CURLMsg* msg;
while ((msg = curl_multi_info_read(multi_handle))) {
if (msg->msg == CURLMSG_DONE) {
void* ptr;
curl_easy_getinfo(msg->easy_handle, CURLINFO_PRIVATE, &ptr);
auto h = std::coroutine_handle<>::from_address(ptr);
h.resume(); // 唤醒协程
}
}
}
}
这个模式的关键在于await_transform，它把CURL句柄转换成可等待(awaitable)对象。当IO未完成时，协程暂停并交出控制权；IO完成后通过事件循环唤醒协程。整个过程没有线程阻塞，却能达到同步代码的简洁性。
四、技术对比与选型建议
协程虽好，但不是银弹。让我们对比几种并发方案：
传统多线程：
- 优点：真正的并行，适合CPU密集型任务
- 缺点：上下文切换成本高，线程数不宜过多
- 示例：视频编码、科学计算
回调/Promise：
- 优点：资源占用少，Node.js验证过的模式
- 缺点：代码逻辑碎片化，错误处理复杂
- 示例：JavaScript异步编程
协程：
- 优点：同步风格的异步代码，内存占用小
- 缺点：需要编译器/库支持，调试较复杂
- 最佳场景：高并发IO操作，如：
- 网络服务(HTTP/gRPC服务器)
- 游戏逻辑(处理大量NPC行为)
- 文件批量处理(日志分析)
注意事项：
- 协程局部变量会跨暂停点保持，避免大对象
- 协程帧分配在堆上，高频创建需考虑内存池
- 异常传播路径与普通函数不同
- 调试器支持尚不完善
五、总结与展望
C++协程就像给你的代码装上了"可暂停"超能力。它用同步的写法获得异步的性能，特别适合需要处理成千上万并发连接的服务端场景。虽然当前生态还在成熟中，但已有以下优秀实现：
- cppcoro：微软开源的协程库
- Boost.Asio：网络库的协程集成
- Folly：Facebook的异步框架
未来随着编译器优化和工具链完善，协程很可能成为C++高并发编程的主流选择。就像lambda表达式刚引入时大家觉得新奇，现在已成为日常工具。建议从简单任务生成器开始练习，逐步过渡到网络应用，你会爱上这种"行云流水"的编程体验。
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